JP5351274B2 - Nonvolatile semiconductor memory device - Google Patents

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Description

本発明は、不揮発性半導体記憶装置に関する。   The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device.

NANDフラッシュメモリに使われるメモリセル・トランジスタは、世代とともに微細化が進んでいる。しかし、トランジスタのゲート長の微細化の進展に対して絶縁膜の薄膜化が遅れているために、微細化したメモリセル・トランジスタを用いてデータの書き込み/消去および読み出しを行う際の特性に問題が生じる。   Memory cells and transistors used in NAND flash memories are becoming more and more miniaturized with generations. However, since the thinning of the insulating film is delayed with the progress of miniaturization of the transistor gate length, there is a problem in the characteristics when data is written / erased and read using the miniaturized memory cell / transistor. Occurs.

つまり、メモリセル・トランジスタの読み出し時におけるショートチャネル効果と、NAND列の書き込み時における非選択メモリセルの誤書き込みの相反関係が生じてしまう。ここで、「ショートチャネル効果」とは、MIS型トランジスタのゲート長が小さくなると、ゲート電極がチャネル領域を制御できなくなり、明瞭なトランジスタのON,OFF特性が得られなくなることを言う。ショートチャネル効果を抑制するためには、トランジスタの基板不純物濃度を上げる必要がある。しかし、基板不純物濃度を増加させると、書き込み時の非選択メモリセルでチャネル電位が上がりにくくなる。その場合には、非選択セルの絶縁膜に大きな電界がかかることになり、誤書き込みが起こりやすくなる。   That is, there is a reciprocal relationship between the short channel effect at the time of reading the memory cell transistor and the erroneous writing of the unselected memory cell at the time of writing to the NAND string. Here, the “short channel effect” means that when the gate length of the MIS transistor becomes small, the gate electrode cannot control the channel region, and clear ON / OFF characteristics of the transistor cannot be obtained. In order to suppress the short channel effect, it is necessary to increase the substrate impurity concentration of the transistor. However, increasing the substrate impurity concentration makes it difficult to increase the channel potential in the non-selected memory cell at the time of writing. In that case, a large electric field is applied to the insulating film of the non-selected cell, and erroneous writing is likely to occur.

一方、トランジスタの基板不純物濃度を減少させると誤書き込みは減少するが、読み出し時にショートチャネル効果が顕著に現れる。以上のように、ショートチャネル効果抑制と誤書き込み抑制を両立できないという相反関係が存在し、それはゲート長が微細化すればするほど深刻になる。   On the other hand, when the substrate impurity concentration of the transistor is reduced, erroneous writing is reduced, but the short channel effect is noticeable at the time of reading. As described above, there is a conflicting relationship that it is impossible to achieve both short channel effect suppression and erroneous write suppression, which becomes more serious as the gate length becomes finer.

また、とりわけ電荷蓄積層に絶縁膜(シリコン窒化膜)を使うMONOS型メモリセルに関するものであるが、MONOSメモリで書き込み/消去を繰り返すと電荷注入を行う側の基板界面に欠陥が発生し、メモリセルのトランジスタのId−Vg特性(伝達特性)が劣化するという問題がある。ここで、電荷蓄積層とは、一般に、浮遊ゲート電極のような導電性の層、ナノドットメモリのように離散的な導電性の層、もしくはMONOS(metal−oxide−nitride−oxide−silicon)におけるシリコン窒化膜のようなトラップを含む絶縁膜層などのことを言う。   In particular, the present invention relates to a MONOS type memory cell that uses an insulating film (silicon nitride film) as a charge storage layer. However, when writing / erasing is repeated in the MONOS memory, a defect occurs at the substrate interface on the side where charge injection is performed. There is a problem that the Id-Vg characteristic (transfer characteristic) of the cell transistor deteriorates. Here, the charge storage layer is generally a conductive layer such as a floating gate electrode, a discrete conductive layer such as a nanodot memory, or silicon in MONOS (metal-oxide-nitride-oxide-silicon). It refers to an insulating film layer including a trap such as a nitride film.

なお、公知の技術としては、この劣化を回避するためにpチャネルのMONOSトランジスタを形成し、ゲート電極側からキャリアを注入して書き込み/消去を行い、それとは反対側の基板側界面のチャネルでデータを読み出す方法がある。   As a known technique, in order to avoid this deterioration, a p-channel MONOS transistor is formed, carriers are injected from the gate electrode side, and writing / erasing is performed, and the channel on the opposite substrate side interface is used. There is a method of reading data.

特許文献1に記載の発明では電荷注入とデータ読み出しを行う領域が異なるが、電荷注入を行うためのゲート電極はドーパント不純物濃度の高い多結晶シリコン、もしくは金属で形成されている。すなわち、ゲート側にチャネル領域を持つトランジスタが形成されているわけではない。したがって、選択ゲート・トランジスタによる電荷供給の制御によって、データ読み出し時にはゲート側に反転層を形成するが、書き込み時の非選択セルではゲート側に空乏層を形成する(反転層は形成しない)など、ゲート側の空乏層に関する制御を行うことは不可能である。そのため、この特許文献1に記載の発明では、基板側にのみ存在する空乏層が、書き込み時の非選択セルにおける空乏層の伸張と、読み出し時の空乏層幅の縮小によるショートチャネル効果の抑制という二つの役割を受け持たなければならないという欠点がある。この矛盾点はメモリセルの微細化に伴ってますます顕在化してしまう。   In the invention described in Patent Document 1, the region where charge injection and data reading are performed are different, but the gate electrode for performing charge injection is formed of polycrystalline silicon or metal having a high dopant impurity concentration. That is, a transistor having a channel region on the gate side is not formed. Therefore, by controlling the charge supply by the select gate transistor, an inversion layer is formed on the gate side at the time of data reading, but a depletion layer is formed on the gate side in the non-selected cell at the time of writing (no inversion layer is formed), etc. It is impossible to control the depletion layer on the gate side. Therefore, in the invention described in Patent Document 1, the depletion layer that exists only on the substrate side is the extension of the depletion layer in the non-selected cell at the time of writing and the suppression of the short channel effect due to the reduction of the width of the depletion layer at the time of reading. There is a drawback of having to take on two roles. This contradiction becomes more and more apparent with the miniaturization of memory cells.

米国特許出願公開第2007/0029625号明細書US Patent Application Publication No. 2007/0029625

そこで、本発明の目的は、メモリセルにおけるショートチャネル効果の抑制と誤書き込みの防止の両方を実現することができ、さらに、MONOS型メモリセルにおいては、界面欠陥による特性劣化を回避することができる不揮発性半導体記憶装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to realize both suppression of a short channel effect and prevention of erroneous writing in a memory cell, and furthermore, in a MONOS type memory cell, characteristic deterioration due to interface defects can be avoided. A non-volatile semiconductor memory device is provided.

本発明の不揮発性半導体記憶装置は、複数の不揮発性メモリセルを配置して構成される不揮発性半導体記憶装置であって、前記不揮発性メモリセルは、第1の半導体層に離間して形成された第1のソース・ドレイン領域と、前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域との間に形成された第1のチャネル領域と、前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域との間の前記第1の半導体層上に形成されたブロック絶縁膜と、前記ブロック絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、前記電荷蓄積層上に形成されたトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上に形成された第2の半導体層内に形成された第2のチャネル領域と、
前記第2の半導体層内に形成され、前記第2のチャネル領域を挟んで対向するように形成された第2のソース・ドレイン領域と、を備え、前記第1のチャネル領域のドーパント不純物濃度が前記第2のチャネル領域のドーパント不純物濃度よりも高いことを特徴とする。
The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is a nonvolatile semiconductor memory device configured by arranging a plurality of nonvolatile memory cells, and the nonvolatile memory cells are formed separately from the first semiconductor layer. A first source / drain region; a first channel region formed between the first source region and the first drain region; the first source region and the first drain region; A block insulating film formed on the first semiconductor layer, a charge storage layer formed on the block insulating film, a tunnel insulating film formed on the charge storage layer, and the tunnel A second channel region formed in a second semiconductor layer formed on the insulating film;
A second source / drain region formed in the second semiconductor layer so as to face each other with the second channel region interposed therebetween, and the dopant impurity concentration of the first channel region is The dopant impurity concentration in the second channel region is higher than the second channel region.

なお、トンネル絶縁膜とは、高電界を印加することで電荷を通過させ、電荷蓄積層に電荷を導く目的で導入する絶縁膜である。また、ブロック絶縁膜とは、メモリセルを通過しようとする電流を遮断する目的で導入する絶縁膜であり、高電界領域でトンネル絶縁膜よりも電流が流れにくい絶縁膜のことを言う。ブロック絶縁膜はトンネル絶縁膜よりも大きな容量を持つのが通常である。なぜならば、ブロック絶縁膜の容量を大きくすればトンネル絶縁膜にかかる電圧の割合が大きくなるからである。ブロック絶縁膜の容量をトンネル絶縁膜よりも大きくするためには、(1)面積を大きくする、(2)誘電率を大きくする、(3)膜厚を薄くする、などの方法が採られる。   Note that the tunnel insulating film is an insulating film that is introduced for the purpose of passing charges by applying a high electric field and guiding charges to the charge storage layer. The block insulating film is an insulating film introduced for the purpose of interrupting a current that attempts to pass through the memory cell, and means an insulating film in which current does not flow more easily than a tunnel insulating film in a high electric field region. Usually, the block insulating film has a larger capacity than the tunnel insulating film. This is because if the capacity of the block insulating film is increased, the ratio of the voltage applied to the tunnel insulating film is increased. In order to make the capacity of the block insulating film larger than that of the tunnel insulating film, methods such as (1) increasing the area, (2) increasing the dielectric constant, and (3) reducing the film thickness are employed.

本発明によれば、非選択メモリセルの誤書き込みを抑制し、同時にショートチャネル効果を抑えたデータ読み出しができるメモリセルを実現できる。さらに、MONOS型のメモリセルでは、書き込み/消去時の欠陥発生がデータ読み出しに影響を与えないようにすることができる。   According to the present invention, it is possible to realize a memory cell which can suppress erroneous writing of unselected memory cells and can simultaneously read data with a short channel effect suppressed. Further, in the MONOS type memory cell, it is possible to prevent the occurrence of defects during writing / erasing from affecting the data reading.

本発明の第1の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の図。1 is a diagram of a nonvolatile semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. 従来のメモリセルの基本原理について示す図Diagram showing the basic principle of a conventional memory cell 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の図。The figure of the non-volatile semiconductor memory device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るNAND型メモリセル・ユニットを示す図。FIG. 5 is a diagram showing a NAND memory cell unit according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係るメモリセルアレイの図。The figure of the memory cell array concerning a 2nd embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の図。The figure of the non-volatile semiconductor memory device concerning the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す図。FIG. 6 is a view showing a manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の変形例を示す図。The figure which shows the modification of the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置を示す図。The figure which shows the non-volatile semiconductor memory device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。また、以下説明する図面において、符号が一致するものは、同じものを示しており、重複した説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be described below, the same reference numerals indicate the same parts, and duplicate descriptions are omitted.

(第1の実施形態)
図1は、本発明に係るメモリセルの概略図である。不揮発性半導体記憶装置は、複数の不揮発性メモリセルから構成される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram of a memory cell according to the present invention. The nonvolatile semiconductor memory device is composed of a plurality of nonvolatile memory cells.

本実施形態の不揮発性半導体記憶装置を構成するメモリセルは、半導体基板10上に形成されており、半導体基板10を構成する半導体層内に離間して形成された第1のソース・ドレイン領域30と、第1のソース・ドレイン領域30の間に存在する第1のチャネル領域20の上に形成されたブロック絶縁膜60と、ブロック絶縁膜60上に形成された電荷蓄積層50と、電荷蓄積層50上に形成されたトンネル絶縁膜40と、トンネル絶縁膜40上に形成され、半導体層70内に形成された第2のチャネル領域90と、半導体層70内に形成され、第2のチャネル領域90を挟む第2のソース・ドレイン領域80から構成される。   The memory cells constituting the nonvolatile semiconductor memory device of the present embodiment are formed on the semiconductor substrate 10, and the first source / drain regions 30 are formed separately in the semiconductor layer constituting the semiconductor substrate 10. A block insulating film 60 formed on the first channel region 20 existing between the first source / drain regions 30, a charge storage layer 50 formed on the block insulating film 60, and a charge storage A tunnel insulating film 40 formed on the layer 50, a second channel region 90 formed on the tunnel insulating film 40 and formed in the semiconductor layer 70, and a second channel formed in the semiconductor layer 70. A second source / drain region 80 sandwiching the region 90 is formed.

ここで、チャネル領域とはポテンシャルのかかった状態で、チャネルを形成しうる領域をいう。また、従来技術で述べたように、電荷蓄積層とは、一般に、浮遊ゲート電極のような導電性の層、ナノドットメモリのように離散的な導電性の層、もしくはMONOS(metal−oxide−nitride−oxide−silicon)におけるシリコン窒化膜のようなトラップを含む絶縁膜層などのことを言う。なお、ブロック絶縁膜についても従来技術で述べたように、メモリセルを通過しようとする電流を遮断する目的で導入する絶縁膜であり、高電界領域でトンネル絶縁膜よりも電流が流れにくい絶縁膜のことを言う。ブロック絶縁膜はトンネル絶縁膜よりも大きな容量を持つのが通常である。なぜならば、ブロック絶縁膜の容量を大きくすればトンネル絶縁膜にかかる電圧の割合が大きくなるからである。ブロック絶縁膜の容量をトンネル絶縁膜よりも大きくするためには、(1)面積を大きくする、(2)誘電率を大きくする、(3)膜厚を薄くする、などの方法が採られる。   Here, the channel region refers to a region where a channel can be formed in a state where a potential is applied. As described in the prior art, the charge storage layer is generally a conductive layer such as a floating gate electrode, a discrete conductive layer such as a nanodot memory, or a MONOS (metal-oxide-nitride). This means an insulating film layer including a trap such as a silicon nitride film in (-oxide-silicon). As described in the prior art, the block insulating film is also an insulating film that is introduced for the purpose of blocking the current passing through the memory cell, and the insulating film is less likely to flow current than the tunnel insulating film in a high electric field region. Say that. Usually, the block insulating film has a larger capacity than the tunnel insulating film. This is because if the capacity of the block insulating film is increased, the ratio of the voltage applied to the tunnel insulating film is increased. In order to make the capacity of the block insulating film larger than that of the tunnel insulating film, methods such as (1) increasing the area, (2) increasing the dielectric constant, and (3) reducing the film thickness are employed.

半導体基板10、半導体層70は、単結晶Siが一般的であるが、他には多結晶Si、アモルファスSi、Ge、化合物半導体、SOI(Silicon On Insulator)、有機高分子等が挙げられる。   The semiconductor substrate 10 and the semiconductor layer 70 are generally single crystal Si, but other examples include polycrystalline Si, amorphous Si, Ge, compound semiconductors, SOI (Silicon On Insulator), and organic polymers.

トンネル絶縁膜40は、Siの酸化物を含む単層膜若しくは積層膜を用いるのが一般的である。また、トンネル絶縁膜の性能と信頼性の向上のために、膜中に窒素を添加することがある。   As the tunnel insulating film 40, a single layer film or a laminated film containing an oxide of Si is generally used. Further, in order to improve the performance and reliability of the tunnel insulating film, nitrogen may be added to the film.

電荷蓄積層50は、窒化シリコン(Si)を用いるのが一般的であるが、それ以外にも、酸窒化シリコン(SiON)、酸化アルミニウム(Al)、酸窒化アルミニウム(AlON)、ハフニア(HfO)、ハフニウム・アルミネート(HfAlO)、窒化ハフニア(HfON)、窒化ハフニウム・アルミネート(HfAlON)、ハフニウム・シリケート(HfSiO)、窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)、酸化ランタン(La)及びランタン・アルミネート(LaAlO)など用いることができる。The charge storage layer 50 is generally made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), but in addition, silicon oxynitride (SiON), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum oxynitride (AlON) ), Hafnia (HfO 2 ), hafnium aluminate (HfAlO 3 ), nitrided hafnia (HfON), nitrided hafnium aluminate (HfAlON), hafnium silicate (HfSiO), nitrided hafnium silicate (HfSiON), lanthanum oxide ( La 2 O 3 ) and lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) can be used.

ブロック絶縁膜60は、酸化シリコンSiO、酸化アルミニウム(Al)、酸窒化アルミニウム(AlON)、ハフニア(HfO)、ハフニウム・アルミネート(HfAlO)、窒化ハフニア(HfON)、窒化ハフニウム・アルミネート(HfAlON)、ハフニウム・シリケート(HfSiO)、窒化ハフニウム・シリケート(HfSiON)、酸化ランタン(La)、及び、ランタン・アルミネート(LaAlO)などを用いることができる。The block insulating film 60 includes silicon oxide SiO 2 , aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum oxynitride (AlON), hafnia (HfO 2 ), hafnium-aluminate (HfAlO 3 ), hafnia nitride (HfON), and hafnium nitride. Aluminate (HfAlON), hafnium silicate (HfSiO), hafnium nitride silicate (HfSiON), lanthanum oxide (La 2 O 3 ), lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), and the like can be used.

図1は、ゲート側にトンネル絶縁膜40を配置し、ゲート側からキャリア注入を行っているが(矢印100の方向)、これを上下逆にして、半導体基板10側にトンネル絶縁膜40を配置し、半導体基板10側からキャリア注入を行う構成も可能であり、本実施形態の概念の本質的な部分は変わらない。   In FIG. 1, the tunnel insulating film 40 is arranged on the gate side and carriers are injected from the gate side (in the direction of the arrow 100), but the tunnel insulating film 40 is arranged on the semiconductor substrate 10 side upside down. However, a configuration in which carrier injection is performed from the semiconductor substrate 10 side is also possible, and an essential part of the concept of the present embodiment is not changed.

つまり、本実施形態はトンネル絶縁膜40をゲート側に、ブロック絶縁膜60を基板側に配置しているが、それとは逆に、トンネル絶縁膜40を基板側に、ブロック絶縁膜60をゲート側に配置した構成も可能である。   That is, in the present embodiment, the tunnel insulating film 40 is disposed on the gate side and the block insulating film 60 is disposed on the substrate side. Conversely, the tunnel insulating film 40 is disposed on the substrate side and the block insulating film 60 is disposed on the gate side. A configuration arranged in the above is also possible.

次に、本実施形態の動作原理について説明する。   Next, the operation principle of this embodiment will be described.

図2は、従来のメモリセルの基本原理について示す図である。   FIG. 2 is a diagram showing the basic principle of a conventional memory cell.

図2は従来のメモリセルの構造と、その動作を模式的に示している。メモリセルは半導体基板10側の第1のチャネル領域20から電荷を注入して書き込み/消去を行い(矢印110の方向)、書き込み/消去を行った側の第1のチャネル領域20を用いてデータの読み出しを行う。   FIG. 2 schematically shows the structure of a conventional memory cell and its operation. The memory cell performs writing / erasing by injecting charge from the first channel region 20 on the semiconductor substrate 10 side (in the direction of arrow 110), and data is written using the first channel region 20 on the side where writing / erasing is performed. Is read out.

この場合には、背景技術の項で説明したように、読み出し時のショートチャネル効果の抑制と、書き込み時の非選択メモリセルにおける誤書込みの抑制を両立することができない。なぜならば、第1のチャネル領域20の空乏層が矛盾する二つの役割を担うからである。その役割とは、ひとつは書き込み時の非選択セルにおける空乏層の伸張である。また、もう1つの役割は、データ読み出し時の空乏層幅の抑制である。図2に示した従来のメモリセル構造では、メモリセルが微細化すればするほど、第1のチャネル領域20の空乏層の2つの役割に矛盾が生じることになる。そのため、従来のメモリセル構造ではメモリセルの微細化が困難である。   In this case, as described in the background section, it is impossible to achieve both suppression of the short channel effect at the time of reading and suppression of erroneous writing in the non-selected memory cell at the time of writing. This is because the depletion layer of the first channel region 20 plays two contradictory roles. One of the roles is extension of a depletion layer in a non-selected cell at the time of writing. Another role is suppression of the depletion layer width at the time of data reading. In the conventional memory cell structure shown in FIG. 2, the smaller the memory cell is, the more inconsistent the two roles of the depletion layer of the first channel region 20 are. Therefore, it is difficult to miniaturize the memory cell with the conventional memory cell structure.

このような課題を解決するための本実施形態(図1)では、チャネル領域の空乏層幅(もしくはドーパント不純物濃度)に課せられる矛盾を解消するために、書き込み時の非選択セルで空乏層を伸ばす役割と、データ読み出し時に空乏層幅を抑えてショートチャネル効果を抑制する役割を、それぞれ別の場所に配置することにした。   In the present embodiment (FIG. 1) for solving such a problem, in order to eliminate the contradiction imposed on the depletion layer width (or dopant impurity concentration) of the channel region, a depletion layer is formed in a non-selected cell at the time of writing. The role of stretching and the role of suppressing the short channel effect by suppressing the width of the depletion layer at the time of data reading are arranged in different places.

つまり、図1に示すように、本実施形態は、第2のチャネル領域90を設けることにより、空乏層の2つの役割を分離したことに特徴がある。具体的には、トンネル絶縁膜40側の半導体領域のドーパント不純物濃度を低くし、ブロック絶縁膜60側の半導体領域のドーパント不純物濃度を高くする。そして、データ読み出しは、ブロック絶縁膜60側の半導体領域に形成されるトランジスタの第1のチャネル領域20を用いて行う。   That is, as shown in FIG. 1, the present embodiment is characterized in that the two roles of the depletion layer are separated by providing the second channel region 90. Specifically, the dopant impurity concentration in the semiconductor region on the tunnel insulating film 40 side is decreased, and the dopant impurity concentration in the semiconductor region on the block insulating film 60 side is increased. Data reading is performed using the first channel region 20 of the transistor formed in the semiconductor region on the block insulating film 60 side.

このような本実施形態の構成によれば、以下の効果が得られる。まず、書き込み時に電荷を注入する側のトンネル絶縁膜40と半導体層70との界面のドーパント不純物濃度を低めに設定することで、書き込み時の非選択メモリセルにおいて空乏層を伸張することができる。その結果、トンネル絶縁膜40にかかる電圧を低減して誤書き込みを防止することができる。なお、書き込み時のメモリセルでは選択セル/非選択セルのいずれにおいてもショートチャネル効果の抑制は求められないので、チャネル領域のドーパント不純物濃度を低く設定できる。   According to such a configuration of the present embodiment, the following effects can be obtained. First, the depletion layer can be extended in the non-selected memory cell at the time of writing by setting the dopant impurity concentration at the interface between the tunnel insulating film 40 on the side where the charge is injected at the time of writing and the semiconductor layer 70 to be low. As a result, the voltage applied to the tunnel insulating film 40 can be reduced to prevent erroneous writing. In the memory cell at the time of writing, since the suppression of the short channel effect is not required in either the selected cell or the non-selected cell, the dopant impurity concentration in the channel region can be set low.

一方では、本実施形態はデータ読み出し側の半導体基板10表面のドーパント不純物を高くし、データ読み出し側(ブロック絶縁膜60側)のトランジスタのショートチャネル効果を抑制している。そのため、間違いの無いデータの読み出しが可能となる。   On the other hand, in the present embodiment, the dopant impurity on the surface of the semiconductor substrate 10 on the data reading side is increased to suppress the short channel effect of the transistor on the data reading side (block insulating film 60 side). Therefore, it is possible to read data without error.

なお、電荷注入を行った側とは反対側の半導体基板10とブロック絶縁膜60との界面でデータ読み出しをすることで、さらに以下の二つの効果を得ることができる。   In addition, the following two effects can be obtained by reading data at the interface between the semiconductor substrate 10 and the block insulating film 60 on the side opposite to the side on which the charge injection is performed.

第1の効果は、書き込み/消去の繰り返しによって当該界面に欠陥が発生し閾値電圧が変動するのを避けられることである。なぜならば、本実施形態の構造の場合、データ読み出し側の半導体基板10とブロック絶縁膜60との界面は電荷の通過が殆ど無いために欠陥の発生を抑制できるからである。また、第2の効果は、MONOS型メモリセルでは「近接効果」(セル間干渉)を抑制できることである。なぜならば、MONOS型メモリセルではデータ読み出し側の界面に近い電荷蓄積層50/ブロック絶縁膜60界面に電荷が捕獲されるためである。   The first effect is that it is possible to avoid the occurrence of a defect at the interface due to repeated writing / erasing and fluctuation of the threshold voltage. This is because, in the case of the structure of this embodiment, the interface between the semiconductor substrate 10 on the data reading side and the block insulating film 60 has almost no charge passing, so that the occurrence of defects can be suppressed. The second effect is that the “proximity effect” (inter-cell interference) can be suppressed in the MONOS type memory cell. This is because in the MONOS type memory cell, charges are trapped at the interface between the charge storage layer 50 and the block insulating film 60 close to the interface on the data reading side.

それとは対照的に、図2に示すように、通常のMONOS型メモリセルでは、キャリア注入及びデータ読み出しを行う第1のチャネル領域20と電荷蓄積層50/ブロック絶縁膜60界面との電気的な距離が遠いので、隣接メモリセル間の干渉効果が無視できない。   In contrast, as shown in FIG. 2, in a normal MONOS type memory cell, the electrical relationship between the first channel region 20 for performing carrier injection and data reading and the interface between the charge storage layer 50 and the block insulating film 60 is shown. Since the distance is long, the interference effect between adjacent memory cells cannot be ignored.

一方で、本実施形態のメモリセルでは図1に示すように、電荷注入と反対側の半導体表面(第1のチャネル領域20)でデータ読み出しを行うので、第1のチャネル領域20と電荷蓄積層50/ブロック絶縁膜60界面との電気的な距離が近くなり、隣接メモリセル間の干渉効果が小さくなる。   On the other hand, in the memory cell of this embodiment, as shown in FIG. 1, since data is read on the semiconductor surface (first channel region 20) opposite to the charge injection, the first channel region 20 and the charge storage layer are read. The electrical distance to the 50 / block insulating film 60 interface is reduced, and the interference effect between adjacent memory cells is reduced.

ここで、データ読み出しを行う半導体層20と、捕獲電荷の存在する電荷蓄積層50/ブロック絶縁膜60界面との距離が近ければ隣接メモリセル間の干渉効果が小さくなることは、以下の理由による。半導体層20に近い位置にメモリセルの捕獲電荷があると、その電荷から伸びる電気力線が半導体層20で終端される割合が大きくなり、隣接セルの電荷蓄積層50(もしくは電荷蓄積層50/ブロック絶縁膜60界面)で終端されにくくなる。一方、半導体層20から遠い位置に電荷があると、電気力線が半導体層20に届きにくくなり、隣接セルの電荷蓄積層50(もしくは電荷蓄積層50/ブロック絶縁膜60界面)で終端される割合が大きくなる。以上のことから、半導体層20に近い位置に電荷が存在する場合のほうが、隣接セル間の干渉効果が小さい。   Here, if the distance between the semiconductor layer 20 from which data is read and the charge storage layer 50 / block insulating film 60 interface where trapped charges exist is short, the interference effect between adjacent memory cells is reduced for the following reason. . If there is a trapped charge of the memory cell near the semiconductor layer 20, the rate at which electric lines of force extending from the charge are terminated at the semiconductor layer 20 increases, and the charge storage layer 50 (or charge storage layer 50 / It is difficult to terminate at the interface of the block insulating film 60). On the other hand, if there is a charge far from the semiconductor layer 20, the electric lines of force are difficult to reach the semiconductor layer 20 and are terminated at the charge storage layer 50 (or the charge storage layer 50 / block insulating film 60 interface) of the adjacent cell. The proportion increases. From the above, the interference effect between adjacent cells is smaller when the charge is present at a position close to the semiconductor layer 20.

本実施形態は、電荷注入を行う第2のチャネル領域90とデータ読み出しを行う第1のチャネル領域20をメモリセルの絶縁膜スタックの上下にそれぞれ設けることによって、空乏層の2つの役割を分離したことに特徴がある。すなわち、書き込み時の非選択セルにおける空乏層の伸張は第2のチャネル領域90で対応し、また、データ読み出し時のトランジスタ動作に必要な高ドーパント不純物濃度は第1のチャネル領域20で対応する。このように空乏層の役割を空間的に分けたことによって、トランジスタの微細化に伴って顕在化する空乏層に対する要求の矛盾点を解消することができる。したがって、本実施形態の構造を用いると、メモリセルの微細化をさらに推進することが可能になる。   In the present embodiment, two roles of the depletion layer are separated by providing a second channel region 90 that performs charge injection and a first channel region 20 that performs data reading above and below the insulating film stack of the memory cell, respectively. There is a special feature. That is, the extension of the depletion layer in the non-selected cell at the time of writing corresponds to the second channel region 90, and the high dopant impurity concentration necessary for the transistor operation at the time of data reading corresponds to the first channel region 20. In this way, by separating the role of the depletion layer spatially, it is possible to eliminate contradictions in requirements for the depletion layer that becomes apparent as the transistor is miniaturized. Therefore, when the structure of this embodiment is used, it is possible to further promote the miniaturization of the memory cell.

(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの概略図を示す。本実施形態では、第2のチャネル領域90は半導体基板15内に配置されている。図3(a)は第2のチャネル領域90のチャネル長方向に沿う断面図、図3(b)は第2のチャネル領域90のチャネル幅方向に沿う断面図である。これらの図において、チャネル長方向とは、ビット線が延びるカラム方向のことであり、チャネル幅方向とは、ワード線(第1のチャネル領域20と第1のソース・ドレイン領域30)が延びるロウ方向のことである。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic view of a memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the second channel region 90 is disposed in the semiconductor substrate 15. 3A is a cross-sectional view of the second channel region 90 along the channel length direction, and FIG. 3B is a cross-sectional view of the second channel region 90 along the channel width direction. In these figures, the channel length direction is the column direction in which the bit lines extend, and the channel width direction is the row in which the word lines (the first channel region 20 and the first source / drain region 30) extend. It is a direction.

p型シリコン基板(半導体基板15)の表面部には、n型ソース・ドレイン拡散層(第2のソース・ドレイン領域80)が互いに離間して配置されている。ソース拡散層とドレイン拡散層との間が第2のチャネル領域90である。不揮発性メモリセルがオン状態になると、第2のチャネル領域90には、第2のソース・ドレイン領域80を電気的に導通させるチャネルが形成される。On the surface portion of the p-type silicon substrate (semiconductor substrate 15), n + -type source / drain diffusion layers (second source / drain regions 80) are arranged apart from each other. A second channel region 90 is between the source diffusion layer and the drain diffusion layer. When the nonvolatile memory cell is turned on, a channel for electrically conducting the second source / drain region 80 is formed in the second channel region 90.

なお、第2のソース・ドレイン領域80は、通常はn型拡散層で構成されるが、このようなメモリセルを複数個直列に接続してNAND型メモリセル・ユニットを構成する場合は、必ずしも第2のソース・ドレイン領域80にn型拡散層を形成しなくてもよい。The second source / drain region 80 is usually composed of an n + type diffusion layer, but when a plurality of such memory cells are connected in series to constitute a NAND type memory cell unit, The n + -type diffusion layer is not necessarily formed in the second source / drain region 80.

これは、隣接するメモリセルのゲートからのフリンジ電界が半導体基板15表面に誘起する反転層をソース・ドレイン電極として用いることができるからである。この場合は、第2のソース・ドレイン領域80にn型シリコンの拡散層を形成せず、第2のソース・ドレイン領域80はp型半導体のままでよい。This is because an inversion layer in which a fringe electric field from the gate of an adjacent memory cell induces on the surface of the semiconductor substrate 15 can be used as a source / drain electrode. In this case, the n + -type silicon diffusion layer is not formed in the second source / drain region 80, and the second source / drain region 80 may be a p-type semiconductor.

NAND型メモリセル・ユニットを構成する場合、例えば、図4に示すように、メモリセル105が複数個直列に接続され、この直列接続部の両端に選択ゲート・トランジスタ301、303を接続したNAND型メモリセル・ユニットを構成することができる。これら複数のメモリセル105はセル・トランジスタ列302を構成する。選択ゲート・トランジスタ301、303は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)構造であることが好ましい。   When configuring a NAND type memory cell unit, for example, as shown in FIG. 4, a plurality of memory cells 105 are connected in series, and select gate transistors 301 and 303 are connected to both ends of this series connection part. A memory cell unit can be constructed. The plurality of memory cells 105 constitute a cell / transistor row 302. The selection gate transistors 301 and 303 preferably have a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure.

次に、半導体基板15の上に配置されたゲートスタックの構成について述べる。前記の第2のチャネル領域90の上には、トンネル絶縁膜40として、例えば厚さ5nmのシリコン酸窒化膜(SiON)が配置される。このシリコン酸窒化膜の平均組成は、例えば(SiO0.8(Si0.2とする。また、トンネル絶縁膜40上には、電荷蓄積層50として、厚さ5nmのシリコン窒化膜(Si)が配置されている。この電荷蓄積層50上には、ブロック絶縁膜60として、例えば厚さ15nmのアルミナ(Al)膜が配置される。このブロック絶縁膜60上には、第1のチャネル領域20となるn型の半導体層75が配置されている。図3(b)から分かるように、第1のチャネル領域20に隣接してp型の第1のソース・ドレイン領域30が配置される。Next, the configuration of the gate stack disposed on the semiconductor substrate 15 will be described. A silicon oxynitride film (SiON) having a thickness of, for example, 5 nm is disposed on the second channel region 90 as the tunnel insulating film 40. The average composition of this silicon oxynitride film is, for example, (SiO 2 ) 0.8 (Si 3 N 4 ) 0.2 . On the tunnel insulating film 40, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 5 nm is disposed as the charge storage layer 50. On the charge storage layer 50, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) film having a thickness of 15 nm is disposed as the block insulating film 60. On the block insulating film 60, an n-type semiconductor layer 75 to be the first channel region 20 is disposed. As can be seen from FIG. 3B, the p + -type first source / drain region 30 is disposed adjacent to the first channel region 20.

また、トンネル絶縁膜40及び電荷蓄積層50は、ロウ方向に複数形成され、これらはSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁層120により互いに分離されている。また、電荷蓄積層50の上に配置されたブロック絶縁膜60はロウ方向に延びている。また、第1のチャネル領域20と、p型の第1のソース・ドレイン領域30は、ロウ方向に複数個配置されており、これらは、制御ゲート電極(ワード線)として機能したり、また、直列に配置されたトランジスタとして機能したりする。A plurality of tunnel insulating films 40 and charge storage layers 50 are formed in the row direction, and these are separated from each other by an element isolation insulating layer 120 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure. The block insulating film 60 disposed on the charge storage layer 50 extends in the row direction. A plurality of first channel regions 20 and p + -type first source / drain regions 30 are arranged in the row direction, and these function as control gate electrodes (word lines), or Or function as transistors arranged in series.

なお、本実施形態は、ブロック絶縁膜60がワード線方向に延長された構造をしている。このような構造にすれば、ワード線方向のフリンジ電界による電界の逃げが少なくなり、メモリセル・トランジスタを微細化しても第1のチャネル領域20からの電界を効率良くトンネル絶縁膜40まで伝達できるというメリットが得られる。   In this embodiment, the block insulating film 60 is extended in the word line direction. With such a structure, the escape of the electric field due to the fringe electric field in the word line direction is reduced, and the electric field from the first channel region 20 can be efficiently transmitted to the tunnel insulating film 40 even if the memory cell transistor is miniaturized. The advantage is obtained.

ここで、半導体基板15の第2のチャネル領域90におけるp型ドーパント不純物濃度は、本実施形態では1×1018cm−3とした。また、制御ゲート電極として機能する第1のチャネル領域20におけるn型ドーパント不純物濃度は、1×1019cm−3とした。Here, the p-type dopant impurity concentration in the second channel region 90 of the semiconductor substrate 15 is set to 1 × 10 18 cm −3 in this embodiment. In addition, the n-type dopant impurity concentration in the first channel region 20 functioning as the control gate electrode was set to 1 × 10 19 cm −3 .

以上のように、第1のチャネル領域20におけるドーパント不純物濃度は、第2のチャネル領域90におけるドーパント不純物濃度よりも高くなっている。なお、第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度は、第2のチャネル領域90のドーパント不純物濃度よりも約1桁程度(5〜50倍程度)高いのが望ましい。このことは簡単なC−V特性の計算からわかる。本実施形態のドーパント不純物濃度の組み合わせを用いる場合は、書き込み時に、非選択メモリセルで実効電界5MV/cm、選択メモリセルで15MV/cmの実効電界を得るように動作電圧を設定することができる。すなわち、書き込みセルと非書き込みセルの区別を明確につけることができる。なぜならば、通常のトンネル絶縁膜(SiO)の書き込みの閾値電界は実効電界で約7MV/cmだからである。As described above, the dopant impurity concentration in the first channel region 20 is higher than the dopant impurity concentration in the second channel region 90. The dopant impurity concentration in the first channel region 20 is preferably about one digit (about 5 to 50 times) higher than the dopant impurity concentration in the second channel region 90. This can be seen from simple CV characteristic calculations. When the combination of dopant impurity concentrations of this embodiment is used, the operating voltage can be set so as to obtain an effective electric field of 5 MV / cm in the non-selected memory cell and 15 MV / cm in the selected memory cell at the time of writing. . That is, the distinction between the write cell and the non-write cell can be clearly made. This is because the threshold electric field for writing of a normal tunnel insulating film (SiO 2 ) is an effective electric field of about 7 MV / cm.

なお、「実効電界」とは電束密度をSiOの誘電率で除した値であり、「SiO換算電界」とも呼ばれる。Note that the "effective electric field" is a value obtained by dividing the electric flux density in the dielectric constant of SiO 2, also referred to as "terms of SiO 2 field".

一方、第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度と第2のチャネル領域90のドーパント不純物濃度が約2桁異なる場合について同様の計算を行えば、適切な電界条件を見つけるのが難しいことがわかる。したがって、第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度は、第2のチャネル領域90のドーパント不純物濃度よりも約1桁程度(5〜50倍程度)高いのが適切である。   On the other hand, if the same calculation is performed for the case where the dopant impurity concentration in the first channel region 20 and the dopant impurity concentration in the second channel region 90 are different by about two digits, it can be seen that it is difficult to find an appropriate electric field condition. Therefore, it is appropriate that the dopant impurity concentration of the first channel region 20 is about one digit (about 5 to 50 times) higher than the dopant impurity concentration of the second channel region 90.

なお、データ読み出しを行う第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度は、ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)を参考にすると、概ね1017〜1018cm−3以上が必要である。また、第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度が極めて高く、縮退した半導体になれば空乏層の形成が難しい。したがって、第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度は1020cm−3以下にすべきである。以上のことから、第1のチャネル領域20のドーパント不純物濃度の望ましい範囲は、1017cm−3以上1020cm−3以下である。Note that the dopant impurity concentration of the first channel region 20 from which data is read out needs to be approximately 10 17 to 10 18 cm −3 or more with reference to ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors). In addition, if the dopant impurity concentration of the first channel region 20 is extremely high and a degenerate semiconductor is formed, it is difficult to form a depletion layer. Therefore, the dopant impurity concentration of the first channel region 20 should be 10 20 cm −3 or less. From the above, the desirable range of the dopant impurity concentration of the first channel region 20 is 10 17 cm −3 or more and 10 20 cm −3 or less.

また、本実施形態で用いるトンネル絶縁膜40の膜厚は2〜8nm程度が望ましい。本実施形態ではトンネル絶縁膜40としてシリコン酸窒化膜を用いたが、膜中欠陥を低減する観点からシリコン酸窒化膜の平均組成は、(SiO(Si1−xにおいて0.75<x<1とするのが望ましい。勿論、x=1の極限の組成に相当するシリコン酸化膜(SiO)をトンネル絶縁膜40に用いても構わない。なお、トンネル絶縁膜40にシリコン酸窒化膜を用いれば、正孔に対する電位障壁が小さくなるので、メモリセルの消去動作が速くなる効果が得られる。同様に、トンネル絶縁膜40として、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜(ONOトンネル絶縁膜)などの積層トンネル絶縁膜を用いてもよく、この場合も消去動作が速くなる。In addition, the thickness of the tunnel insulating film 40 used in this embodiment is desirably about 2 to 8 nm. In the present embodiment, a silicon oxynitride film is used as the tunnel insulating film 40. From the viewpoint of reducing defects in the film, the average composition of the silicon oxynitride film is (SiO 2 ) x (Si 3 N 4 ) 1-x . It is desirable that 0.75 <x <1. Of course, a silicon oxide film (SiO 2 ) corresponding to the limit composition of x = 1 may be used for the tunnel insulating film 40. If a silicon oxynitride film is used as the tunnel insulating film 40, the potential barrier against holes is reduced, so that the effect of speeding up the erase operation of the memory cell can be obtained. Similarly, a laminated tunnel insulating film such as a silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film (ONO tunnel insulating film) may be used as the tunnel insulating film 40. In this case, the erasing operation is accelerated.

本実施形態で用いる電荷蓄積層50としてのシリコン窒化膜の膜厚は2〜10nm程度が望ましい。また、このシリコン窒化膜は、必ずしも化学量論的組成を持つSiである必要はなく、膜中トラップ密度を増大させるためにSiリッチの組成にしてもよいし、トラップ準位を深くするために窒素リッチの組成にしてもよい。また、電荷蓄積層50としてのシリコン窒化膜は、酸素を含有していてもかまわない。さらに、このシリコン窒化膜は必ずしも均一な組成の膜である必要はなく、その組成が膜厚方向で変化してもかまわない。The thickness of the silicon nitride film as the charge storage layer 50 used in this embodiment is desirably about 2 to 10 nm. Further, this silicon nitride film does not necessarily need to be Si 3 N 4 having a stoichiometric composition, and may have a Si-rich composition in order to increase the trap density in the film, or deepen the trap level. Therefore, a nitrogen-rich composition may be used. Further, the silicon nitride film as the charge storage layer 50 may contain oxygen. Furthermore, the silicon nitride film does not necessarily have a uniform composition, and the composition may change in the film thickness direction.

また、本実施形態で用いるブロック絶縁膜60としてのアルミナの膜厚は5〜20nm程度が望ましい。また、ブロック絶縁膜60としてのアルミナは、膜中欠陥の低減のために、若干の窒素を膜中に含んでいても構わない。さらに、ブロック絶縁膜60は必ずしも単層のアルミナ膜で構成される必要はなく、例えばアルミナ膜/シリコン酸化膜/アルミナ膜(AOA膜)などの積層ブロック絶縁膜を用いてもよい。   Further, the film thickness of alumina as the block insulating film 60 used in the present embodiment is desirably about 5 to 20 nm. Further, alumina as the block insulating film 60 may contain some nitrogen in the film in order to reduce defects in the film. Further, the block insulating film 60 is not necessarily composed of a single layer alumina film, and a laminated block insulating film such as an alumina film / silicon oxide film / alumina film (AOA film) may be used.

本実施形態で用いる第1のチャネル領域20およびそれに隣接するp型の第1のソース・ドレイン領域30は多結晶シリコンで形成しているが、アモルファス・シリコンもしくは単結晶シリコンで形成しても構わない。また、p型の第1のソース・ドレイン領域30をメタルもしくはシリサイドで置換したショットキー障壁ソース・ドレインを用いても構わない。その際に、第1のチャネル領域20とp型の第1のソース・ドレイン領域30の界面にドーパント不純物を偏析させてショットキー障壁を高くする方法を用いてもよい。The first channel region 20 and the p + -type first source / drain region 30 adjacent to the first channel region 20 used in the present embodiment are formed of polycrystalline silicon, but may be formed of amorphous silicon or single crystal silicon. I do not care. A Schottky barrier source / drain in which the p + -type first source / drain region 30 is replaced with metal or silicide may be used. At that time, a method of increasing the Schottky barrier by segregating dopant impurities at the interface between the first channel region 20 and the p + -type first source / drain region 30 may be used.

図5は、本実施形態のメモリアレイを上側から見た模式図である。ワード線(WL)とビット線(BL)の交差する部分にトンネル絶縁膜40、電荷蓄積層50、ブロック絶縁膜60からなるゲートスタックが存在する。この構造から明らかなように、ゲートスタックの上下にそれぞれトランジスタが配置されているので、ワード線(WL)とビット線(BL)の機能は相互に対称であり、互いに入れ替えることが可能である。すなわち、ワード線(WL)を用いてデータ読み出しをする場合は、ワード線(WL)はビット線としての働きをする。そのため、回路構成としては、ビット線側だけでなく、ワード線側にも読み出し回路を接続することが必要である。   FIG. 5 is a schematic view of the memory array of this embodiment as viewed from above. A gate stack composed of the tunnel insulating film 40, the charge storage layer 50, and the block insulating film 60 exists at the intersection of the word line (WL) and the bit line (BL). As is clear from this structure, since the transistors are arranged above and below the gate stack, the functions of the word line (WL) and the bit line (BL) are symmetrical to each other and can be interchanged. That is, when data is read using the word line (WL), the word line (WL) functions as a bit line. Therefore, as a circuit configuration, it is necessary to connect a read circuit not only to the bit line side but also to the word line side.

なお、このメモリセルの駆動方法としては、半導体基板15の表面からトンネル絶縁膜40を介してシリコン窒化膜(電荷蓄積層50)に電荷を注入することで書き込み/消去動作を行い、第1のチャネル領域20を流れるチャネル電流の有無でデータ読み出しを行う。   As a method of driving this memory cell, a write / erase operation is performed by injecting charges from the surface of the semiconductor substrate 15 into the silicon nitride film (charge storage layer 50) through the tunnel insulating film 40, and the first Data reading is performed with or without a channel current flowing through the channel region 20.

次に、図3のメモリセルの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the memory cell of FIG. 3 will be described.

図7〜図13において、(a)は第2のチャネル領域90のチャネル長方向に沿う断面図、(b)は、第2のチャネル領域90のチャネル幅方向に沿う断面図である。   7 to 13, (a) is a cross-sectional view taken along the channel length direction of the second channel region 90, and (b) is a cross-sectional view taken along the channel width direction of the second channel region 90.

まず、図7(a)(b)に示すように、p型不純物がドーピングされたシリコン基板(半導体基板15: 基板内のウェルの場合を含む)の表面を洗浄した後に、800℃から1000℃の温度範囲の熱酸化法で、厚さ約5nmのシリコン酸化膜を形成する。続いて、プラズマ窒化法を用いてシリコン酸化膜を窒化し、トンネル絶縁膜40としてのシリコン酸窒化膜を形成する。   First, as shown in FIGS. 7A and 7B, after cleaning the surface of a silicon substrate doped with a p-type impurity (semiconductor substrate 15: including the case of a well in the substrate), 800 ° C. to 1000 ° C. A silicon oxide film having a thickness of about 5 nm is formed by a thermal oxidation method in a temperature range of 5 nm. Subsequently, the silicon oxide film is nitrided by using a plasma nitriding method to form a silicon oxynitride film as the tunnel insulating film 40.

続いて、600℃から800℃の温度範囲において、ジクロルシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)を原料ガスとするLPCVD(low pressure chemical vapor deposition)法で、トンネル絶縁膜40上に電荷蓄積層50としての厚さ5nmのシリコン窒化膜を形成する。Subsequently, charges are accumulated on the tunnel insulating film 40 by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) using dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ) as source gases in a temperature range of 600 ° C. to 800 ° C. A silicon nitride film having a thickness of 5 nm is formed as the layer 50.

そして、このシリコン窒化膜(電荷蓄積層50)上に、素子分離領域を加工するためのマスク材130を形成する。このマスク材130上にフォトレジストを形成し、フォトレジストを露光及び現像する。そして、RIE(reactive ion etching)法により、フォトレジストのパターンをマスク材130に転写する。この後、フォトレジストを除去する。   Then, a mask material 130 for processing the element isolation region is formed on the silicon nitride film (charge storage layer 50). A photoresist is formed on the mask material 130, and the photoresist is exposed and developed. Then, the photoresist pattern is transferred to the mask material 130 by RIE (reactive ion etching). Thereafter, the photoresist is removed.

この状態で、マスク材130をマスクにして、RIE法により、電荷蓄積層50、及びトンネル絶縁膜40を順次エッチングし、ロウ方向に隣接するメモリセル同士を分離するスリット140を形成する。さらに、RIE法により、半導体基板15をエッチングし、半導体基板15に、深さ約100nmの素子分離トレンチ150を形成する。   In this state, using the mask material 130 as a mask, the charge storage layer 50 and the tunnel insulating film 40 are sequentially etched by the RIE method to form slits 140 that separate memory cells adjacent in the row direction. Further, the semiconductor substrate 15 is etched by RIE, and an element isolation trench 150 having a depth of about 100 nm is formed in the semiconductor substrate 15.

次いで、図8(a)(b)に示すように、CVD法により、スリット140及び素子分離トレンチ150からなる溝を完全に満たす、埋め込み酸化膜であるシリコン酸化膜(素子分離絶縁膜120)を形成する。続いて、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、マスク材130が露出するまでシリコン酸化膜(素子分離絶縁膜120)を研磨し、シリコン酸化膜(素子分離絶縁膜120)の表面を平坦化する。   Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a silicon oxide film (element isolation insulating film 120) that is a buried oxide film that completely fills the groove formed by the slit 140 and the element isolation trench 150 is formed by CVD. Form. Subsequently, the silicon oxide film (element isolation insulating film 120) is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) until the mask material 130 is exposed, and the surface of the silicon oxide film (element isolation insulating film 120) is planarized.

次いで、ウェットエッチング法によって、埋め込み酸化膜(素子分離絶縁膜120)のエッチバックを行う。このエッチバックによって、マスク材130底面の高さと、埋め込み酸化膜(素子分離絶縁膜120)の表面の高さとが一致するようにする。続いて、マスク材130を選択的に除去する。   Next, the buried oxide film (element isolation insulating film 120) is etched back by wet etching. By this etch back, the height of the bottom surface of the mask material 130 is made to coincide with the height of the surface of the buried oxide film (element isolation insulating film 120). Subsequently, the mask material 130 is selectively removed.

次いで、図9(a)(b)に示すように、200℃から400℃の温度範囲において、TMA(Al(CH)と、HO若しくはOを原料とするALD(atomic layer deposition)法で、ブロック絶縁膜60として約15nmの厚さのアルミナ膜を形成する。続いて、ブロック絶縁膜60上に、例えば550℃から650℃の温度範囲で、シランSiHを原料ガスとするCVD法を用いて、第1のチャネル領域20となる半導体層75(多結晶シリコン、もしくはアモルファス・シリコン)を堆積する。Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, ALD (atomic layer) using TMA (Al (CH 3 ) 3 ) and H 2 O or O 3 as raw materials in a temperature range of 200 ° C. to 400 ° C. An alumina film having a thickness of about 15 nm is formed as the block insulating film 60 by a deposition method. Subsequently, the semiconductor layer 75 (polycrystalline silicon) to be the first channel region 20 is formed on the block insulating film 60 by using a CVD method using silane SiH 4 as a source gas in a temperature range of 550 ° C. to 650 ° C., for example. Or amorphous silicon).

次いで、図10(a)(b)に示すように、第1のチャネル領域20となる半導体層75の上にマスク材130を形成する。このマスク材130は、例えばシリコン窒化膜の堆積で形成する。このマスク材130の上にフォトレジストを形成し、フォトレジストを露光及び現像する。そして、RIE法により、フォトレジストのパターンをマスク材130に転写する。その後、フォトレジストを除去する。その結果として、カラム方向に延びるマスク材130の線パターンが形成される。   Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, a mask material 130 is formed on the semiconductor layer 75 to be the first channel region 20. The mask material 130 is formed, for example, by depositing a silicon nitride film. A photoresist is formed on the mask material 130, and the photoresist is exposed and developed. Then, the photoresist pattern is transferred to the mask material 130 by the RIE method. Thereafter, the photoresist is removed. As a result, a line pattern of the mask material 130 extending in the column direction is formed.

次に、図11(a)、(b)に示すように、マスク材130をマスクとして、イオン注入法によってp型ドーパント不純物(例えばボロン)を注入する。そして、活性化アニールによってp型ソース・ドレイン電極を形成する。なお、p型ドーパント不純物が横方向に拡散し過ぎないように、活性化アニールの条件に留意が必要である。Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, a p-type dopant impurity (for example, boron) is implanted by ion implantation using the mask material 130 as a mask. Then, p + type source / drain electrodes are formed by activation annealing. It should be noted that the conditions for the activation annealing are required so that the p-type dopant impurity does not diffuse excessively in the lateral direction.

次に、マスク材130を剥離した後に、別のマスク材130(典型的にはシリコン窒化膜)を堆積し、今度はロウ方向に延びる線パターンを形成する。   Next, after the mask material 130 is peeled off, another mask material 130 (typically a silicon nitride film) is deposited, and this time, a line pattern extending in the row direction is formed.

そして、図12(a)(b)に示すように、マスク材130をマスクにして、RIE法により、第1のチャネル領域20となる半導体層75、ブロック絶縁膜60、電荷蓄積層50、及びトンネル絶縁膜40を順次エッチングし、MONOSゲートスタックの形状を形成する。   12A and 12B, the semiconductor layer 75, the block insulating film 60, the charge storage layer 50, and the first channel region 20 are formed by the RIE method using the mask material 130 as a mask. The tunnel insulating film 40 is sequentially etched to form the shape of the MONOS gate stack.

これ以降は、CVD法によりMONOSゲートスタックの側面に薄いシリコン酸化膜を形成する処理(図示せず)を行う。次に、図13(a)(b)に示すように、イオン注入法によりセルフアラインでリン(若しくは砒素、アンチモン)を導入し熱工程を施すことで、半導体基板15上の第2のチャネル領域90に隣接したn型ソース・ドレイン拡散層80を形成し、メモリセルを完成する。そして、最後に、CVD法により、電極側壁酸化膜160、メモリセルを覆う層間絶縁膜170を形成する。Thereafter, a process (not shown) for forming a thin silicon oxide film on the side surface of the MONOS gate stack is performed by the CVD method. Next, as shown in FIGS. 13A and 13B, a second channel region on the semiconductor substrate 15 is formed by introducing phosphorus (or arsenic or antimony) by self-alignment by an ion implantation method and performing a thermal process. An n + -type source / drain diffusion layer 80 adjacent to 90 is formed to complete the memory cell. Finally, an electrode sidewall oxide film 160 and an interlayer insulating film 170 covering the memory cell are formed by CVD.

なお、上述の製造方法は一例に過ぎず、これ以外の製造方法により、図3のメモリセルを形成しても構わない。   Note that the above-described manufacturing method is merely an example, and the memory cell of FIG. 3 may be formed by other manufacturing methods.

例えば、第2のチャネル領域90のn型ソース・ドレイン80、および第1のチャネル領域20のp型ソース・ドレイン30は、イオン注入法のほか、不純物をドープした多結晶シリコンを堆積する方法、または固相拡散の方法などで形成しても構わない。For example, the n + -type source / drain 80 of the second channel region 90 and the p + -type source / drain 30 of the first channel region 20 are deposited by impurity-doped polycrystalline silicon in addition to the ion implantation method. It may be formed by a method or a solid phase diffusion method.

また、半導体基板15の上部に配置されるMONOSゲートスタック絶縁膜の製造方法として、以下の変形が可能である。トンネル絶縁膜40の形成工程のうち、熱酸化の方法は、ドライO酸化の他にウェット酸化(水素燃焼酸化)、O若しくはHOを原料ガスとするプラズマ酸化など様々な方法を用いることができる。また、シリコン酸化膜の窒化を行う工程は、窒素プラズマの工程の代わりに、NOガス、若しくはNHガス雰囲気下の熱処理の工程に置き換えてもよい。Moreover, the following modifications are possible as a method of manufacturing the MONOS gate stack insulating film disposed on the semiconductor substrate 15. Among the steps of forming the tunnel insulating film 40, the thermal oxidation method uses various methods such as wet oxidation (hydrogen combustion oxidation), plasma oxidation using O 2 or H 2 O as a source gas in addition to dry O 2 oxidation. be able to. Further, the step of nitriding the silicon oxide film may be replaced with a heat treatment step in an atmosphere of NO gas or NH 3 gas instead of the step of nitrogen plasma.

また、電荷蓄積層50として用いるシリコン窒化膜の組成は、LPCVDの原料ガスであるジクロルシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)の流量比を調整することにより変化させることができる。The composition of the silicon nitride film used as the charge storage layer 50 can be changed by adjusting the flow ratio of dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ), which are LPCVD source gases.

また、ブロック絶縁膜60としてのアルミナ(Al)はALD法で形成する以外に、500℃から800℃の温度範囲において、TMA(Al(CH)とHOを原料ガスとして用いるMOCVD(metal organic chemical vapor deposition)法で形成しても構わない。Alumina (Al 2 O 3 ) as the block insulating film 60 is formed by ALD, and TMA (Al (CH 3 ) 3 ) and H 2 O are used as source gases in the temperature range of 500 ° C. to 800 ° C. It may be formed by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.

さらに、上述の基板構造、及びMONOSゲートスタック構造を構成する各膜は、CVD法(若しくはALD法)に用いる原料ガスを、他のガスで代替してもよい。また、CVD法は、スパッタ法で代用できる。また、上記の各層の成膜は、CVD法、スパッタ法以外の、蒸着法、レーザーアブレーション法、MBE法などの方法や、これらの方法を組み合わせた方法などにより形成してもよい。   Furthermore, the source gas used in the CVD method (or ALD method) may be replaced with another gas for each film constituting the above-described substrate structure and MONOS gate stack structure. Further, the CVD method can be replaced by a sputtering method. In addition, the above-described layers may be formed by a method other than the CVD method or the sputtering method, such as a vapor deposition method, a laser ablation method, or an MBE method, or a method combining these methods.

(変形例1)
図14は、本発明の第2の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの変形例を示す図である。図14(a)はビット線方向に沿う断面図、図14(b)はワード線方向に沿う断面図である。なお、先の図6(a)(b)と同一部分には同一符号を付し、その詳しい説明は省略する。
(Modification 1)
FIG. 14 is a diagram showing a modification of the memory cell of the nonvolatile semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. 14A is a cross-sectional view along the bit line direction, and FIG. 14B is a cross-sectional view along the word line direction. The same parts as those shown in FIGS. 6A and 6B are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態が先に説明した第2の実施形態と異なるのは、MONOS型メモリセル・トランジスタの絶縁膜層の構成を上下逆にした形態になっている点である。以下では、第2の実施形態と異なる点を中心にして説明する。   This embodiment is different from the above-described second embodiment in that the configuration of the insulating film layer of the MONOS type memory cell transistor is turned upside down. Below, it demonstrates centering on a different point from 2nd Embodiment.

n型シリコン基板(半導体基板200)の表面部には、p型の第2のソース・ドレイン領域210が互いに離間して配置されている。これらのソース拡散層とドレイン拡散層との間に第1のチャネル領域20が配置されている。On the surface portion of the n-type silicon substrate (semiconductor substrate 200), p + -type second source / drain regions 210 are arranged apart from each other. A first channel region 20 is disposed between the source diffusion layer and the drain diffusion layer.

なお、第2の実施形態の場合と同様に、第2のソース・ドレイン領域210は、通常はp型拡散層で構成されるが、このようなメモリセルを複数個直列に接続してNAND型メモリセル・ユニットを構成する場合は、p型拡散層を配置することを省略し、隣接するメモリセルのゲート電極からのフリンジ電界が基板表面に誘起する反転層をソース・ドレイン電極として用いることも可能である。As in the case of the second embodiment, the second source / drain region 210 is usually composed of a p + -type diffusion layer. However, a plurality of such memory cells are connected in series to form a NAND. when configuring the type memory cell unit omits placing the p + -type diffusion layer, using the inversion layer fringe electric field is induced on the substrate surface from the gate electrodes of adjacent memory cells as the source and drain electrodes It is also possible.

次に、n型シリコン基板(半導体基板200)の上に配置されたゲートスタックの構成について述べる。前記の第1のチャネル領域20の上には、ブロック絶縁膜60として、例えば厚さ15nmのアルミナ(Al)膜が配置される。このブロック絶縁膜60上には、電荷蓄積層50として、厚さ5nmのシリコン窒化膜(Si)が配置される。このシリコン窒化膜(電荷蓄積層50)上には、トンネル絶縁膜40として、例えば厚さ5nmのシリコン酸窒化膜(SiON)が配置される。このトンネル絶縁膜40上には、第2のチャネル領域90となるp型の半導体層230が配置されている。図14(b)から分かるように、第2のチャネル領域90に隣接してn型のソース・ドレイン領域80が配置されている。Next, the configuration of the gate stack disposed on the n-type silicon substrate (semiconductor substrate 200) will be described. On the first channel region 20, for example, an alumina (Al 2 O 3 ) film having a thickness of 15 nm is disposed as the block insulating film 60. On the block insulating film 60, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) having a thickness of 5 nm is disposed as the charge storage layer 50. On the silicon nitride film (charge storage layer 50), a silicon oxynitride film (SiON) having a thickness of, for example, 5 nm is disposed as the tunnel insulating film 40. A p-type semiconductor layer 230 to be the second channel region 90 is disposed on the tunnel insulating film 40. As can be seen from FIG. 14B, n + -type source / drain regions 80 are disposed adjacent to the second channel region 90.

また、この実施形態では、ブロック絶縁膜60、電荷蓄積層50、及びトンネル絶縁膜40は、ロウ方向に複数形成され、これらはSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁層120により互いに分離される。   In this embodiment, a plurality of block insulating films 60, charge storage layers 50, and tunnel insulating films 40 are formed in the row direction, and these are separated from each other by an element isolation insulating layer 120 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure. The

ここで、シリコン基板表面に配置された第1のチャネル領域20のn型ドーパント不純物濃度(若しくは半導体基板200のドーパント不純物濃度)は、本実施形態では1×1019cm−3とした。また、制御ゲート電極としても機能する第2のチャネル領域90におけるp型ドーパント不純物濃度は、1×1018cm−3とした。すなわち、第1のチャネル領域20におけるドーパント不純物濃度は、第2のチャネル領域90におけるドーパント不純物濃度よりも高くなっている。Here, the n-type dopant impurity concentration of the first channel region 20 arranged on the silicon substrate surface (or the dopant impurity concentration of the semiconductor substrate 200) is 1 × 10 19 cm −3 in this embodiment. In addition, the p-type dopant impurity concentration in the second channel region 90 that also functions as the control gate electrode is 1 × 10 18 cm −3 . That is, the dopant impurity concentration in the first channel region 20 is higher than the dopant impurity concentration in the second channel region 90.

なお、このメモリセルの駆動方法としては、第2のチャネル領域90を構成する半導体層230からトンネル絶縁膜40を介してシリコン窒化膜(電荷蓄積層50)に電荷を注入することで書き込み/消去動作を行い、シリコン基板(半導体基板200)の表面の第1のチャネル領域20を流れるチャネル電流の有無によってデータ読み出しを行う。   As a driving method of this memory cell, writing / erasing is performed by injecting charges from the semiconductor layer 230 constituting the second channel region 90 into the silicon nitride film (charge storage layer 50) through the tunnel insulating film 40. The operation is performed, and data is read depending on the presence or absence of a channel current flowing through the first channel region 20 on the surface of the silicon substrate (semiconductor substrate 200).

なお、これらのデバイスの製造方法は、第2の実施形態の場合を変形して実現できる範囲であり、LSIプロセスにおける通常の装置、ツールを使って作製できるものである。当業者にとって困難ではないプロセスなので、詳細な記述は省略する。   The manufacturing method of these devices is within a range that can be realized by modifying the case of the second embodiment, and can be manufactured by using a normal apparatus and tool in an LSI process. Since this process is not difficult for those skilled in the art, a detailed description is omitted.

(第3の実施形態)
図15は、本発明の第3の実施形態に係わる不揮発性半導体記憶装置のメモリセルの概略構造を説明する図である。図15(a)はビット線方向に沿う断面図、図15(b)はワード線方向に沿う断面図である。なお、先の図6(a)(b)と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 15 is a diagram illustrating a schematic structure of a memory cell of a nonvolatile semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 15A is a cross-sectional view along the bit line direction, and FIG. 15B is a cross-sectional view along the word line direction. The same parts as those shown in FIGS. 6A and 6B are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態が先に説明した第1の実施形態と異なるのは、電荷蓄積層にシリコン窒化膜ではなく、導電性の半導体であるリンドープ・シリコンを用いて構成した点である。以下では、第1の実施形態と異なる点を中心にして説明する。   This embodiment is different from the first embodiment described above in that the charge storage layer is made of phosphorus-doped silicon, which is a conductive semiconductor, instead of a silicon nitride film. Below, it demonstrates centering on a different point from 1st Embodiment.

本実施形態では、p型シリコン基板(半導体基板15)の上に配置されたゲートスタックの構成が第1の実施形態の場合と異なる。p型シリコン基板(半導体基板15)の表面に配置された第2のチャネル領域90の上には、トンネル絶縁膜40として、例えば厚さ5nmのシリコン酸窒化膜(SiON)が配置されるのは第1の実施形態と同様である。このトンネル絶縁膜40上には、電荷蓄積層300として、厚さ5nmのリンドープ多結晶シリコン膜が配置されている。このシリコン膜中のリン濃度は約1x1020cm−3である。この電荷蓄積層300(リンドープ多結晶シリコン)の上には、インターポリ絶縁膜(ブロック絶縁膜60)として、例えば厚さ15nmのアルミナ(Al)膜が配置される。このブロック絶縁膜60上には、第1のチャネル領域20となるn型の半導体層75が配置されている。図15(b)に示すように、第1のチャネル領域20に隣接してp型の第1のソース・ドレイン領域30が配置されている。In the present embodiment, the configuration of the gate stack disposed on the p-type silicon substrate (semiconductor substrate 15) is different from that in the first embodiment. For example, a silicon oxynitride film (SiON) having a thickness of 5 nm is disposed as the tunnel insulating film 40 on the second channel region 90 disposed on the surface of the p-type silicon substrate (semiconductor substrate 15). This is the same as in the first embodiment. On the tunnel insulating film 40, a phosphorus-doped polycrystalline silicon film having a thickness of 5 nm is disposed as the charge storage layer 300. The phosphorus concentration in this silicon film is about 1 × 10 20 cm −3 . On the charge storage layer 300 (phosphorus-doped polycrystalline silicon), for example, an alumina (Al 2 O 3 ) film having a thickness of 15 nm is disposed as an interpoly insulating film (block insulating film 60). On the block insulating film 60, an n-type semiconductor layer 75 to be the first channel region 20 is disposed. As shown in FIG. 15B, ap + type first source / drain region 30 is disposed adjacent to the first channel region 20.

ここで、p型シリコン基板(半導体基板15)上の第2のチャネル領域90におけるp型ドーパント不純物濃度は、本実施形態では5×1017cm−3とした。また、制御ゲート電極として機能する第1のチャネル領域20におけるn型ドーパント不純物濃度は、5×1018cm−3とした。すなわち、第1のチャネル領域20におけるドーパント不純物濃度は、第2のチャネル領域90におけるドーパント不純物濃度よりも高くなっている。Here, the p-type dopant impurity concentration in the second channel region 90 on the p-type silicon substrate (semiconductor substrate 15) is set to 5 × 10 17 cm −3 in this embodiment. The n-type dopant impurity concentration in the first channel region 20 functioning as the control gate electrode was set to 5 × 10 18 cm −3 . That is, the dopant impurity concentration in the first channel region 20 is higher than the dopant impurity concentration in the second channel region 90.

なお、このメモリセルの駆動方法は、第1の実施形態の場合と似ている。すなわち、半導体基板15の表面からトンネル絶縁膜40を介して電荷蓄積層300(リンドープ多結晶シリコン)へ電荷を注入することで書き込み/消去動作を行い、第1のチャネル領域20を流れるチャネル電流の有無でデータ読み出しを行う。   The memory cell driving method is similar to that in the first embodiment. That is, a write / erase operation is performed by injecting charges from the surface of the semiconductor substrate 15 into the charge storage layer 300 (phosphorus-doped polycrystalline silicon) through the tunnel insulating film 40, and the channel current flowing through the first channel region 20 is reduced. Data reading is performed with or without presence.

なお、これらのデバイスの製造方法は、第1の実施形態の場合を変形して実現できる範囲にあり、LSIプロセスにおける通常の装置、ツールを使って作製できるものである。当業者にとっては困難でないプロセスなので、詳細な記述は省略する。   Note that the manufacturing method of these devices is within a range that can be realized by modifying the case of the first embodiment, and can be manufactured using a normal apparatus and tool in an LSI process. Since it is not difficult for those skilled in the art, a detailed description is omitted.

なお、本実施形態では、ドーパント不純物を含有した多結晶シリコンで電荷蓄積層を構成しているが、電荷蓄積層は必ずしもそれだけに限ることはなく、導電性を有する金属、金属窒化物、金属炭化物、金属珪化物などを幅広く用いることができる。例えば、リンドープ多結晶シリコンの代わりに、TiNなどを用いてもよい。   In this embodiment, the charge storage layer is made of polycrystalline silicon containing a dopant impurity, but the charge storage layer is not necessarily limited thereto, and a conductive metal, metal nitride, metal carbide, A wide range of metal silicides can be used. For example, TiN or the like may be used instead of phosphorus-doped polycrystalline silicon.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。本発明における電荷蓄積層は絶縁膜、導電性の浮遊ゲート電極、もしくは導電性の微粒子など様々な形態があり得る。また、本発明におけるトンネル絶縁膜とブロック絶縁膜の形態も様々である。トンネル絶縁膜としては、膜中に窒素を含んだシリコン酸窒化膜、あるいはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層構造などが一般的であるが、それだけに限るものではない。例えば、高誘電体(high−k)絶縁膜、もしくは異なるhigh−k絶縁膜の積層膜からなるトンネル絶縁膜でも構わない。一方、ブロック絶縁膜(もしくはインターポリ絶縁膜)としてはアルミナ以外に、アルミナ/シリコン酸化膜/アルミナという構造でも構わない。また、ランタンアルミニウム、ランタンアルミネート、ランタンアルミシリケートなども、ブロック絶縁膜(もしくはインターポリ絶縁膜)として用いることができる。また、ブロック絶縁膜(もしくはインターポリ絶縁膜)は従来から使われてきたシリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜の積層膜、もしくはシリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜/シリコン酸化膜/シリコン窒化膜という積層膜でも構わない。   The present invention is not limited to the embodiments described above. The charge storage layer in the present invention may have various forms such as an insulating film, a conductive floating gate electrode, or conductive fine particles. Further, the forms of the tunnel insulating film and the block insulating film in the present invention are also various. The tunnel insulating film is generally a silicon oxynitride film containing nitrogen in the film or a laminated structure of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film, but is not limited thereto. For example, a high dielectric (high-k) insulating film or a tunnel insulating film made of a laminated film of different high-k insulating films may be used. On the other hand, the block insulating film (or interpoly insulating film) may have a structure of alumina / silicon oxide film / alumina other than alumina. Lanthanum aluminum, lanthanum aluminate, lanthanum aluminum silicate, or the like can also be used as the block insulating film (or interpoly insulating film). The block insulating film (or interpoly insulating film) may be a conventionally used laminated film of silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film, or silicon nitride film / silicon oxide film / silicon nitride film / silicon oxide film. / A laminated film of silicon nitride film may be used.

ブロック絶縁膜(もしくはインターポリ絶縁膜)は、トンネル絶縁膜よりも容量が大きいのが一般的である。ブロック絶縁膜(インターポリ絶縁膜)のほうがトンネル絶縁膜よりも材料としての平均誘電率が大きいということ以外に、素子構造の工夫でブロック絶縁膜(インターポリ絶縁膜)の面積を大きくして容量を増大させてもよい。例えば、浮遊ゲート電極300の側面にもブロック絶縁膜(インターポリ絶縁膜)を配置し、その上にも制御ゲート電極を配置すれば、ブロック絶縁膜(インターポリ絶縁膜)の容量を増大させることができる。   The block insulating film (or interpoly insulating film) generally has a larger capacity than the tunnel insulating film. In addition to the fact that the block dielectric film (interpoly insulation film) has a higher average dielectric constant as a material than the tunnel insulation film, the capacity of the block insulation film (interpoly insulation film) is increased by devising the element structure. May be increased. For example, if a block insulating film (interpoly insulating film) is also arranged on the side surface of the floating gate electrode 300 and a control gate electrode is also arranged thereon, the capacity of the block insulating film (interpoly insulating film) is increased. Can do.

なお、本発明のメモリセルのゲートスタック構造は、シリコン基板の表面近くに形成されるウェル領域内に形成してもよい。また、シリコン基板の代わりに、SiGe基板、Ge基板、SiGeC基板などを用いてもよいし、これらの基板内のウェル領域にメモリセル構造を形成してもよい。さらにまた、SOI(silicon on insulator)基板上に本発明のメモリ素子を形成しても構わない。   The gate stack structure of the memory cell of the present invention may be formed in a well region formed near the surface of the silicon substrate. Further, instead of a silicon substrate, a SiGe substrate, a Ge substrate, a SiGeC substrate, or the like may be used, and a memory cell structure may be formed in a well region in these substrates. Furthermore, the memory element of the present invention may be formed on an SOI (silicon on insulator) substrate.

また、本発明では第1のチャネル領域20と第2のチャネル領域90は異なる導電型の半導体であることが望ましい。なぜならば通常のシリコン基板上に形成して動作ができるからである。つまり、同じ導電型であると、第1のチャネル領域20と第2のチャネル領域90に同時に反転層が形成できず、一方が蓄積層になってしまうからである。しかし、SOI(silicon on insulator)基板上に本発明のメモリ素子を形成することを想定すると、第1のチャネル領域20と第2のチャネル領域90は同じ導電型の半導体であっても構わない。したがって、本発明の第1のチャネル領域20と第2のチャネル領域90のトランジスタの可能な組み合わせとしては、(nチャネル、pチャネル)、(nチャネル、nチャネル)、(pチャネル、pチャネル)、(pチャネル、nチャネル)の4通りの場合がある。   In the present invention, the first channel region 20 and the second channel region 90 are preferably semiconductors of different conductivity types. This is because it can be formed and operated on a normal silicon substrate. That is, if the same conductivity type is used, the inversion layer cannot be formed simultaneously in the first channel region 20 and the second channel region 90, and one of them becomes a storage layer. However, assuming that the memory element of the present invention is formed on an SOI (silicon on insulator) substrate, the first channel region 20 and the second channel region 90 may be semiconductors of the same conductivity type. Therefore, possible combinations of the transistors of the first channel region 20 and the second channel region 90 of the present invention include (n channel, p channel), (n channel, n channel), (p channel, p channel). , (P channel, n channel).

また、本発明の考え方は、3次元構造のメモリセルにも適用することができる。例えば積層したフラッシュメモリ(MONOS若しくは浮遊ゲート型)などにも適用可能である。また、本発明をMONOSメモリセルに用いる場合、MONOSの動作方式に拘わらずに適用することができる。即ち、例えば、MONOSトランジスタのソース端とドレイン端の電荷蓄積層にそれぞれ電荷を蓄積し、多値化動作を行うデバイス動作方式にも適用できる。   The concept of the present invention can also be applied to a memory cell having a three-dimensional structure. For example, it can be applied to a stacked flash memory (MONOS or floating gate type). Further, when the present invention is used for a MONOS memory cell, it can be applied regardless of the MONOS operation method. That is, for example, the present invention can be applied to a device operation method in which charges are accumulated in the charge accumulation layers at the source end and the drain end of the MONOS transistor to perform a multilevel operation.

本発明は、主としてメモリセルの要素技術に関わる発明であり、メモリセルの回路レベルでの接続の仕方には依存しない。従って、NAND型の不揮発性半導体メモリ以外に、NOR型、AND型、DINOR型の不揮発性半導体メモリ、NOR型とNAND型の良い点を融合した2トラ型フラッシュメモリ、更には1つのメモリセルが2つの選択トランジスタにより挟みこまれた構造を有する3トラNAND型などにも適用可能である。また、本発明は、NAND型のインタフェースとNOR型の高信頼性・高速読み出し機能を兼ね備えたアーキテクチャーを持つフラッシュメモリにも適用することができる。   The present invention mainly relates to the elemental technology of the memory cell and does not depend on the connection method of the memory cell at the circuit level. Therefore, in addition to NAND-type non-volatile semiconductor memory, NOR-type, AND-type, DINOR-type non-volatile semiconductor memory, 2-tra type flash memory that combines the advantages of NOR-type and NAND-type, and one memory cell The present invention can also be applied to a three-tra NAND type having a structure sandwiched between two selection transistors. The present invention can also be applied to a flash memory having an architecture having both a NAND type interface and a NOR type high reliability and high speed read function.

その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、各構成要素を変形して具体化できる。さらに、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成できる。例えば、上述の実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
In addition, the present invention can be embodied by modifying each component without departing from the scope of the invention. Furthermore, various inventions can be configured by appropriately combining a plurality of components disclosed in the above-described embodiments. For example, some constituent elements may be deleted from all the constituent elements disclosed in the above-described embodiments, or constituent elements of different embodiments may be appropriately combined.

10、15、200 ・・・ 半導体基板、20 ・・・ 第1のチャネル領域、30、210 ・・・ 第1のソース・ドレイン領域、40 ・・・ トンネル絶縁膜、50、300 ・・・ 電荷蓄積層、60 ・・・ ブロック絶縁膜、65 … ゲート電極、70、75、230 ・・・ 半導体層、80 ・・・ 第2のソース・ドレイン領域、90 ・・・ 第2のチャネル領域、105 … メモリセル、100、110 ・・・ 電子注入を示す矢印、120 ・・・ 素子分離絶縁膜、130 ・・・ マスク材、140 ・・・ スリット、150 ・・・ 素子分離トレンチ、160 … 電極側壁酸化膜、170 … 層間絶縁膜、301 … 選択ゲートトランジスタ、302 … セル・トランジスタ列、303 … 選択ゲートトランジスタ、304 … 絶縁膜、305 … 半導体層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 15, 200 ... Semiconductor substrate, 20 ... 1st channel region, 30, 210 ... 1st source-drain region, 40 ... Tunnel insulating film, 50, 300 ... Charge Storage layer, 60 ... Block insulating film, 65 ... Gate electrode, 70, 75, 230 ... Semiconductor layer, 80 ... Second source / drain region, 90 ... Second channel region, 105 ... Memory cell, 100, 110 ... Arrow indicating electron injection, 120 ... Element isolation insulating film, 130 ... Mask material, 140 ... Slit, 150 ... Element isolation trench, 160 ... Electrode side wall Oxide film, 170 ... Interlayer insulating film, 301 ... Select gate transistor, 302 ... Cell transistor row, 303 ... Select gate transistor , 304: insulating film, 305 ... semiconductor layer

Claims (7)

複数の不揮発性メモリセルが備えられた不揮発性半導体記憶装置であって、
前記不揮発性メモリセルは、
第1の半導体層に離間して形成された第1のソース・ドレイン領域と、
前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域との間に形成された第1のチャネル領域と、
前記第1のソース領域と前記第1のドレイン領域との間の前記第1のチャネル領域上に形成されたブロック絶縁膜と、
前記ブロック絶縁膜上に形成された電荷蓄積層と、
前記電荷蓄積層上に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に形成された第2の半導体層内に形成された第2のチャネル領域と、
前記第2の半導体層内に形成され、前記第2のチャネル領域を挟んで対向するように形成された第2のソース・ドレイン領域と、
を備え、
前記第1のチャネル領域のドーパント不純物濃度が前記第2のチャネル領域のドーパント不純物濃度よりも高いことを特徴とする不揮発性半導体記憶装置。
A nonvolatile semiconductor memory device including a plurality of nonvolatile memory cells,
The nonvolatile memory cell is
A first source / drain region formed apart from the first semiconductor layer;
A first channel region formed between the first source region and the first drain region;
A block insulating film formed on the first channel region between the first source region and the first drain region;
A charge storage layer formed on the block insulating film;
A tunnel insulating film formed on the charge storage layer;
A second channel region formed in a second semiconductor layer formed on the tunnel insulating film;
A second source / drain region formed in the second semiconductor layer so as to be opposed to each other across the second channel region;
With
A nonvolatile semiconductor memory device, wherein a dopant impurity concentration in the first channel region is higher than a dopant impurity concentration in the second channel region.
前記第1の半導体層は半導体基板の表面部に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is formed on a surface portion of a semiconductor substrate. 前記第2の半導体層は半導体基板の表面部に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is formed on a surface portion of a semiconductor substrate. 前記第1のチャネル領域と前記第2のチャネル領域は異なる導電型の半導体であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first channel region and the second channel region are semiconductors of different conductivity types. 前記第1のチャネル領域はn型半導体であり、第2のチャネル領域はp型半導体であること特徴する請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first channel region is an n-type semiconductor and the second channel region is a p-type semiconductor. 前記第1のチャネル領域のドーパント不純物濃度は1017cm−3以上1020cm−3以下であり、かつ、前記第2のチャネル領域のドーパント不純物濃度の5倍〜50倍であることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。The dopant impurity concentration of the first channel region is 10 17 cm −3 or more and 10 20 cm −3 or less, and is 5 to 50 times the dopant impurity concentration of the second channel region, The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1. 前記不揮発性メモリセルが複数個直列に接続され、この直列接続部の両端に選択ゲート・トランジスタを接続したNAND型メモリセル・ユニットを有することを特徴とする請求項1に記載の不揮発性半導体記憶装置。   2. The nonvolatile semiconductor memory according to claim 1, further comprising a NAND type memory cell unit in which a plurality of the nonvolatile memory cells are connected in series, and selection gate transistors are connected to both ends of the series connection portion. apparatus.
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